单斜杆中心支撑钢框架强度折减

范文一：单斜杆中心支撑钢框架强度折减系数

第 22 卷第 3 期苏州科技学院学报(工程技术版) Vol 2〃2 No〃 3 2009 年 9 月 Journal of Suzhou University of Science and Technology(Engineering and Technology) Sep〃 2009

单斜杆中心支撑钢框架强度折减系数

张文娟, 顾强

(苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州 215011)

摘要: 强度折减系数取值是否合理关系到结构抗震设计的安全与经济，文章基于现行抗震设计规范，设计了 6 个

单斜杆中心支撑钢框架，利用有限元软件 ANSYS 对各算例进行增量动力弹塑性时程分析，得出其强度折减系数值。

对探讨与我国国情相适应的不同结构体系的强度折减系数有着重要的意义。

关键词: 地震作用;单斜杆中心支撑;强度折减系数;增量弹塑性动力时程分析

中图分类号: TU313.2 文献标识码: A 文章编号: 1672-0679(2009)03-0022-04

在强震作用下，允许工程结构进入非弹性阶段，再加上众多因素的影响(如结构的周期、延性、阻尼等)，使真正基于结构动力学的抗震设计变得十分复杂，工程上为综合考虑这些因素的影响，并将非弹性设计的方法简化为工程上容易接受的准静力法，一般都采用了强度折减系数的概念。强度折减系数的研究对于完善和发展抗震设计理论，提高工程结构的安全性和经济性，以及深入了解地面运动的性质具有重要意义。

[1~5]国内外围绕结构地震力折减、延性、超强等已进行了一定的研究工作，但其依据经验考虑得较多，要想提高强度折减系数的可靠性，除要考虑结构的类型以外，还必须进行大量的研究工作，合理考虑结构的延、周期以及结构超强等各种因素的影响。性

[6]我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)的小震弹性设计法，其本质还是考虑结构弹塑性变形的影响而进行的对中震弹性地震力的折减，把强度折减系数的概念隐含在规定的中震与小震的概率模型中，对不同结构体系强度折减系数的差异，通过承载力抗震调整系数加以调整。这种方法是以混凝土结构为主的情况下对延性地震力理论的简化。随着钢结构的发展及各种新结构体系的应用，这种简化愈来愈不合适。此外，在利用我国规范计算地震作用时，有以下一些不足之处:(1)物理概念不够清楚，设计人员往往误解按规范设计的结构，真的具备强度安全度。实际上屈服部位强度已无储备，而是通过发展塑性变形消耗地震输入能量以抗御地震作用;(2)规范用隐含的统一强度折减系数折减弹性地震力进行结构设计，对于功能、使用要求不同的结构和体系无法反映其间的差异。

为了使钢结构抗震性能好的优势得以发挥，结合我国抗震设计规范提出适合我国国情的不同钢结构体系的强度折减系数是十分必要和迫切的。本文对单斜杆中心支撑钢框架在地震作用下的强度折减系数进行了初步研究，为其地震作用合理的取值提供参考。

确定强度折减系数的方法1

[7]在多自由度体系关系研究中，强度折减系数的定义如图 1 所示。

图中横坐标代表结构的水平位移，纵坐标代表结构基底力。 V、V、Veyd 分别代表结构为完全弹性时最大基底剪力、显著屈服时基底剪力、设

计的基底剪力;Δ、Δ、Δ为对应的顶点水平位移，Δ为实际结构的顶点最大侧移。 eyd max

强度折减系数:R,V, V,(V, V)?(V, V),RR，包含结构延性与超强两方面的影响;R,V, V为结构 e de yy duΩ ue y 延性系数，R,V, V为结构超强系数。强度折减系数主要取决于结构的延性和超强能力，而结构的延性和超 Ωy d

—————————————————

[收稿日期] 2008,12,16

[基金项目] 国家自然科学基金资助项目(50578099)

[作者简介] 张文娟(1983,)，女，山西吕梁人，硕士研究生。

第 3 期张文娟等:单斜杆中心支撑钢框架强度折减系数 23 强能力与各种因素有关,如结构体系、高度、结构赘余度、材性、阻尼、构件的超强能力和连接刚度、细部构造、非结构构件的贡献、极限状态的定义、设计可靠度水准、荷载组合等。本文采用理论分析与有限元模拟相结合的方法求解单斜杆中心支撑钢框架的强度折减系数,基本步骤如下::1:假定单斜杆中心支撑钢框架结构的自振周期,利用 PKPM 软件中 STS 模块进行结构设计;:2:利用 ANSYS 软件建模,包括建立结构的振动模型、恢复力模型、阻尼模型和单元选择等;:3:由反应谱特征周期和结构第一周期双指标控制选波;:4:利用 ANSYS 软件对结构进行模态分析;:5:利用 ANSYS 软件对结构进行多遇烈度下的时程分析,校核基底剪力

进行结构弹塑及层间位移限值是否满足要求,如不满足限值要求则重新进行结构设计;:6:调整地震波幅值性增量时程分析,得出最大层间位移及对应的基底剪力,连续计算得出对应于每条地震最大层间位移和波的结构基底剪力关系曲线;:7:对所得数据进行整理、分析,求得设防烈度下的强度折减系数。

算例分析2

2.1 设计方案

按我国现行抗震设计规范设计 6 个单斜杆中心支撑钢框架算例,其跨数均为 3 跨, 别为 6、8 m, 跨度分层高均为 3.6 m,层数分别为 6、9、12 层。结构立面简图及算例编号如图 2 所示。

算例 2 算例 4 算例 5 算例 6 算例 1 算例 3

结构立面简图图 2

抗震设计参数为设防烈度为 8 度:0.3g:,地面粗糙度 C 类,场地类别为?类,设计地震分组采用第二组,

2222标准层楼面恒载取 5.15 kN/m,活载取 2.0 kN/m,屋面恒载取 4.05 kN/m,活载取 0.7 kN/m;层间位移角限值采用我国现行规范的规定,即弹性最大层间位移角为 1/300,弹塑性最大层间位移角为 1/50;钢构件均采用 Q235B 钢材;框架柱采用箱型截面,框架梁和支撑采用 H 型截面;钢框架梁柱节点采用刚接,支撑斜杆按端部铰接杆计算;为进行结构的非线性分析,对支撑杆件施加初始弯曲,使其在地震作用下先发生屈曲而退出工作。

采用有限元软件 ANSYS 对结构进行建模分析,选用 beam188 单元来模拟梁、柱和支撑。振动模型视为杆系模型,选用双线性恢复力模型,屈服准则为 von Mises 准则,强化理论采用计入 Bauschinger 效应的非线性随动强化理论,结构阻尼采用 Rayleigh 阻尼矩阵。每层楼面重力荷载折算到梁的密度内,在竖向施加恒定的重力加速度来模拟重力荷载,在水平向施加地震波加速度记录来模拟地震作用。

2.2 中震下结构层间位移限值的确定

层间位移限值是衡量结构延性最直接的评价指标,而延性是强度折减系数大小的决定性因素之一,所以中震下结构层间位移限值的确定是求解强度折减系数的关键。我国规范以结构的层间位移角作为判别结构抗震功能的指标,是“小震不坏,大震不倒”设计思想的体现,“中震可修”为一概念性把握标准,规范中未给出中震下层间位移角的取值范围,这一设防目标的实现,主要靠构造措施去保证。我国《建筑工程抗震性态设

[8]计通则:试用:》中规定钢结构中震位移设防标准为 0.004h~0.008h。本文对中震下结构的顶点侧移采用当层间位移限值为 0.006h:h 为层高:时所对应的结构顶点侧移,满足《建筑工程抗震性态设计通则》的规定。 2.3 地震波的选取

[9]选波的一般原则是选用的地震波应与设计反应谱在统计意义上一致,包括地震波数量和相应的反应

24 苏州科技学院学报:工程技术版: 2009

谱特性。选用地震波的频谱特性应尽量接近建筑场地地震时的特征周期,地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的 5~10 倍,也不小于 12 s,地震波的数值化时距可取 0.01 s 或 0.02 s。对计算结果的评估是将结构基底剪力和最大层间位移与振型分解反应谱法的计算结果相比较,控制在一定的误差范围之内。具体方法为:

:1:根据场地类别选择对应的台站记录地震波,地震波的持续时间取 20 s,数值化时距取 0.02 s。

:2:对地震波加速度反应谱值在[0.1,T]平台段的均值进行控制,要求所选地震波的加速度反应谱在该 g

段的均值与对应的设计反应谱相差不超过 10%,反应谱特征周期 T为 0.4 s。 g

:3:对结构基本周期附近[T-ΔT,T+ΔT]段的加速度反应谱均值进行控制,要求与设计反应谱在该段各 1112

周期点均值的偏差不超过 10%, 其中,T为结构基本自振周期,ΔT、ΔT分别为对结构基本自振周期的调动 1 12

幅值,对应取值为 0.2、0.5 s。

:4:将所选地震波输入结构底部进行时程分析,以每条地震波所得的底部剪力计算结果不小于振型分解反应谱法计算结果的 65%,多条波计算结果的平均底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的 80%来控制,剔除不合格的地震波。

各算例所采用的地震波如下表 1 所示。

表 1 各算例所选地震波列表 a fl ? ? ? %% 1 (’(2() Duzse, TurKey 1999I11I12 ?62 L!"#$% ?62 &’2 2 L# *r+e%! 19,9I1(I1, ((-(. &(6/ 0re"#$% 1 2+33#+$ 4!$ 5#e 3(’12/) "!.6’9

? L# *r+e%! 19,9I1(I1, ((-(. .&((& 6#rr!7+#%3 6’9 (’6) "!//

2#r)!$ 8+7 719,I(/I2/ 211.- &(6/ 0re"#$% 1 2+33#+$ 4!$ 5#e 3(’(21) //.6’2

. 9#r:%r+;)e 199/I(1I1& 12-?2 1/2&, 6!3!%+s 1 <7; =+;)e="#u%e" (’.6,)="" 6’6="">

6 9#r%r+e 199/I(1I1& 12-? 19(1 L> 1 67#$ = 6’6 :;)(.:!;(’22.)

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1( ?@ 11 D:+%e%r 9!+rr#E3 19,&I1(I(1 1/-/2 9((.( 2!7+Fu 1 L!3 07#re3 6!$y#$ .’9 (’(1.)

12 A#s!e7+, TurKe 1y999(I,I1& >rse7+K &’/ (’(,6)

1? 9#r:%r+;)e 199/I(1I1& 12-? 19((1. L> 1 6:!7#$ =; 6’6 (’22.)

1/ *!rK+eG7; 1966(I6I2, (/-26 1(16 6:#7!"e H12 6’1 (’(6?)

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16 2/1.& L> 1 I!7;E+$ 8+77 3(’(/) D:+%e%r 9!+rr#E3 19,&I1(I(/ 1(-.9 .’?

1& 9#r:%r+;)e 199/I(1I1& 12-? 12/.2? L!Ke 8u):e3 H/I 1 6!"C 2e$; 6’6 (’(?6) 2.4 结果分析

对各算例进行增量动力时程分析,得到结构在各条地震波作用下的总体反应曲线如图 3 所示。

将选择好的地震波经调整峰值加速度后多次计算表明,当结构最大层间位移角到 0.006 左右的时候,多数结构的支撑进入屈曲,而梁柱等承受竖向荷载的构件即将进入塑性,所以本文近似以层间位移角为 0.006 时的基底剪力代替显著屈服时的基底剪力计算结构的超强系数和延性折减系数。分别求得各结构的强度折减系数、超强系数和延性折减系数,结果如表 2 所示。

由表 2 数据可知, 6 层和 9 层单斜杆中心支撑钢框架结构的强度折减系数均大于现行规范中隐含的强度折减系数 2.812 5,说明按我国现行规范设计的单斜杆中心支撑钢框架结构提高了其地震作用,显得过于保守,建议调整其强度折减系数值;12 层算例的强度折减系数低于 2.812 5,说明按照现行规范设计的 12 层结构的抗震力较小,结构偏于不安全。

分析各算例的超强和延性折减系数可知,6 层、9 层结构的超强系数变化不大,12 层时降低较多;结构的延性系数相差不大。上述超强系数和延性系数均是以层间位移角为 0.006 时的基底剪力代替显著屈服时的基底剪力计算得到的,与定义相比较而言,用中震下的弹塑性水平地震作用力取代了完全屈服承载力,由于中震下各结构均未达到完全屈服,则弹塑性水平地震作用力均小于完全屈服承载力,故上述超强系数比实际值偏小,延性系数值偏大,但二者之积的强度折减系数不变。

第 3 期张文娟等:单斜杆中心支撑钢框架强度折减系数 25 NNN k /kk// 基底剪力基底剪力基底剪力最大层间位移角最大层间位移角最大层间位移角

算例 1 算例 2 算例 3

NNNk/k/k/

基底剪力基底剪力基底剪力

最大层间位移角最大层间位移角最大层间位移角算例 4 算例 5 算例 6

图 3 结构总体反应曲线图

对于多自由度结构,结构刚进入塑性点及完全屈服点的确定不是很明确,文中采用层间位移角为 0.006 作为衡量中震的一个准则,只是对中震一种范围的把握,而不是量化的标准,是否完全合理还有待进一步的研究。由延性折减系数和超强系数的计算结果可以看出,文中所确定的目标位移值偏小,造成所求得的延性折减系数较小。

表 2 各结构性能系数计算值结语3 ?fi 1 2 3 4 S 6

%fl fi 3.30 3.43 3.2S 3.11 2.36 2.29 :1:按《建筑工程抗震性态通则:试用:》定义 fi 3.04 3.06 3.12 2.9S 2.06 2.23 的中震性能点计算各算例的强度折减系数,得到 ?flfi 1.09 1.12 1.04 1.06 1.14 1.01 9 层以下的单斜杆中心支撑钢框架在地震作用下的强度折减系数均大于现行规范中隐含的强度折减系数 2.812 5, 建议调整其强度折减系数;12 层算例的强

[10]度折减系数小于 2.812 5,其设计偏于不安全,建议按照《高层民用建筑钢结构技术规程》进行设计。

:2:《建筑工程抗震性态通则:试用:》规定,中震作用下钢结构的层间位移限值为 0.004h~0.008,本文以h 结构最大层间位移角限值 0.006 作为中震性能点来计算结构的强度折减系数、超强和延性折减系数,对如何以量化的标准来定义中震,加强中震层间位移角限值确定的科学性、合理性和准确性也应是研究的重点。

:3:采用增量动力时程分析对强度折减系数进行研究,考虑到地震波的离散性较大,尚有待加大样本量以降低结构地震响应的离散性。

参考文献:

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:下转第 29 页:

第 3 期朱从坤等:混合非机动车交通流速度与密度的关系研究 29

指数模型或线性模型描述,电动车流的速度-密度关系可用指数模型描述。

参考文献:

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Relationship between Speed and Density in Mixed Non-motorized Vehicle

ZHU Cong-kun, CHI Yu-pin

(School of Civil Engineering, SUST, Suzhou 215011, China)

Abstract: Based on the different features in the non-motorized vehicle and motor vehicle, the paper put forward a method which can be used to define the density of the mixed non-motorized vehicle by the mixed non-motor- ized density on the lane in per unit area. With the survey data, this paper studied the correlation between the speed and density of the vehicle and the related model. The results indicate that the non-crowded mixed non- motorized vehicle speed is always close to a constant, while the crowded mixed non-motorized vehicle speed will decline by the exponential function or line function as the density increases.

Key words: mixed non-motorized vehicle; correlation; speed-density model

:责任编辑:秦中悦:

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

:上接第 25 页:

[8] 中国地震局工程力学研究所. CECS160:2004. 建筑工程抗震性态通则:试用:[S]. 北京:中国计划出版社,2004. [9]

张金海. 钢结构地震作用取值的建议与分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2005.

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The Seismic Behavior Factors of Single Sway Rod Concentrically

Braced Steel Frames

ZHANG Wen-juan, GU Qiang

(School of Civil Engineering, SUST, Suzhou 215011, China)

Abstract: Whether the seismic behaviour factors is reasonable relates to the safety and economic for the seismic design. Based on the modern earthquake resistant standard, it is very important to propose a different seismic behaviour factors for the structural system which suits for our national basic condition. According to the correlative standard of the modern seismic design, the paper has designed six single sway rod concentrically braced steel frames, and carried on the incremental elastic-plasticity time-history analysis of the case by ANSYS, finally the value of seismic behaviour factors is given.

Key words: earthquake action; single sway rod concentrically braced steel frames; seismic behaviour factors; incremental elastic-plasticity time-history analysis

:责任编辑:秦中悦:

范文二：梁贯通式支撑钢框架体系的强度折减系数研究

梁贯通式支撑钢框架体系的强度折减系数研究

1 2,3 1 1,,,王伟青周陈以一童乐为

( 1( ,200092; 2( ,200092; 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海同济大学建筑工程系上海

3( ,210096)东南大学建筑设计研究院有限公司江苏南京

( I) ( ) ,: ,DACSM摘要基于强度折减系数的抗震设计方法将增量动力分析和能力谱法结合对典型梁贯通式支撑钢框架结构

。,。的强度折减系数进行研究采用结构试验校准后的有限元分析模型对结构进行分析得到结构性能点通过比较按照设

VV,。: 防烈度弹性设计的基底剪力和按照小震设计的基底剪力得到强度折减系数分析表明支撑与框架柱的配置比例 e d ; 7 ( CASE1 及布置方式会对此类结构的强度折减系数产生影响适用于度设防烈度的典型两层结构两种支撑配置比例和 CASE2 3? 1 2 ? 1 ) 3. 02 一层与二层支撑配置比例分别为和梁贯通式支撑钢框架结构体系的强度折减系数可分别取为和 2. 54。。最后建议了该新型结构体系考虑强度折减系数并基于我国现行规范进行抗震设计的地震作用取值范围

: ; ; ; ; 关键词支撑钢框架梁贯通抗震设计强度折减系数增量动力分析

: TU391 TU317. 1 : A中图分类号文献标志码

,esearch on strength reduction factors of steel

beam-through braced frame

1 2,3 1 1ANG ei,ZHOU Qing,CHEN Yiyi,TONG Lewei WW

( 1( State Key Laboratory for Disaster ,eduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;

2( Department of Building Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;

3( Architects , Engineers Co(,Ltd( of Southeast University,Nanjing 210096,China)

Abstract: Based on the seismic design method of strength reduction factor,the strength reduction factors of typical steel beam-through braced frames were investigated( Incremental dynamic analysis ( IDA ) and capacity spectrum method ( CSM) were combined in this study( Firstly,finite element models validated by test results were adopted to investigate the behavior of the structures( And the performance points were identified( Then strength reduction factor ( ,) could be calculated based on bottom shear forces under the medium earthquake ( V) and minor earthquake ( V) (It e d is indicated that brace layout and column-brace ratio have certain influence on , factors( The factors are suggested to be 3. 02 and 2. 54 for two story steel beam-through braced frames with two typical structural layout ( three brace units for the first story and one brace units for the second story in CASE 1,two brace units for the first story and one brace

units for the second story in CASE 2) under the condition of 7 degree seismic fortification( Finally a range of seismic

design forces considering , factors were proposed for this new type structural system based on current Chinese codes(K eywords: steel braced frame; beam-through; seismic design; strength reduction factor; incremental dynamic analysis J2012) 。 : ( 51038008) ,( T基金项目国家自然科学基金重点项目中央高校基本科研业务费专项资金项目: ( 1977— ) ,,,,。E-mail: weiwang@ tongji. edu. cn 作者简介王伟男江西南昌人工学博士副教授收稿日: 2013 4 期年月

0 引言

梁贯通式支撑钢框架体系是近期由同济大学进 ,1,。该结行改进开发的一种新型工业化钢结构体系、: 梁柱节点处保持梁通长柱分构体系的技术特点有 ; 为便于预制 ,层易于应用分层装配式工法进行安装用高延性柔性支撑作为其主要 ,墙板安装该体系采 ; 的抗侧力构件通过半刚性端板螺栓连接形式实现 1 图结构反应曲线、、, 梁与柱梁与梁梁与屋架以及柱与基础等的连接Fig( 1 ,esponses of structure

。同时作为除支撑外的备用抗震设防措施整体模型。V、VV分别为与和对应的位移强度折减系数定 ,2,e y d ,,表明该结构延性优但柔性支撑的配置可能试验: 义为,的滑移型滞回特性耗能能力一导致结构具有明显, = V/ V( 1) e d 。般对梁贯通式支撑钢框架结构进行合理的抗震设 1. 2 IDA 基于的强度折减系数计算方法 ,。计成为该类结构体系在我国推广应用的关键( IDA) 增量动力分析方法是将一条特定的地震基于强度的抗震设计方法主要考虑强震作用下 ,震动强度逐步增大的地震动输动转化为一系列地过强度折减系数折减结构在设 ,结构的塑性耗能通, 动力时程分析得到一系列结构入结构进行弹塑性,。防地震作用下的弹性地震作用得出设计地震作用,10,,也被称为动力推覆分析的弹塑性地震响应指标因此强度折减系数是基于强度的抗震设计中确定设。( dynamic pushover) IDA 方法可以避免对不同侧力

。,计地震作用的关键参数我国现行抗震规范隐含对的合理性进行评估而将结构在模式推覆分析结果,3-4,, , 规则引入到抗震能力评价中还地震作用下的滞回不同材料的结构体系采用单一的强度折减系数

没有区分具有不同延性的结构类型在设计地震作用可以考虑结构抗震需求和能力的不确定性和随机性充分体现钢结构延性在抗震设 EMA 350,FEMA 351 IDA F, 中采用对结取值上的差别不能。因素美国,5,,计安全性与经济性方面的优势因此有必要对不,11-12,。IDA 构整体抗倒塌能力进行评估本文采用计。同抗震钢结构体系的强度折减系数进行研究针对

:算强度折减系数主要步骤如下者近年来已开展了相关研究工 ,这一问题国内外学,3,6-8,,、1) 建立结构分析模型根据结构特性场地类别。作但针对梁贯通式支撑钢框架这一新型结构

,等选择地震记录将地震记录通过调幅扩展为一组 ,。体系强度折减系数的研究目前未见报道

结构进行弹塑性动力时程分析 ,地震动记录进而对( incremental dynamic本文将增量动力分析。-( V-) 顶点位移 Δ的关系 analysis,IDA) ( capacity spectrum method, 得到基底剪力和能力谱法

,2) V-根据多条地震记录激励下结构的 Δ 关系 ,CSM) 相结合对典型梁贯通式支撑钢框架结构的强。,得到拟合曲线建立结构的等效单自由度体系参 ,究旨在为抗震设计时强度折减度折减系数进行研,13, Peter考提出的非线性推覆分析方法中的转换方。系数的合理取值提供依据

,式基于考虑前两阶振型对结构进行等效单自由度 ,14,,-体系简化的方法顶点位移曲线将以上基底剪力1 强度折减系数的概念与计算方法。转换为结构的能力谱曲线 ,3) 根据抗震设防烈度和场地类别参考强度折 1. 1 强度折减系数的概念 ,15,,--T ( ( 2) ) , μ 取值规则式目标延性周期减系数强度折减系数指设防地震作用下结构保持完全。建立结构对应不同延性系数的需求谱曲线弹性所产生的基底剪力与相同地震作用下考虑延性,9,。设计的结构设计基底剪力之比利用结构的弹塑T 1. 35 , 1 μ + 1 ( T T)? 0 T( 2) ,性变形能力可以使结构的实际设计承载力比按结 , = 0 0. 95 ( ) 0. 95 。构完全弹性反应要求的承载力偏低在静力荷载作 1. 35( , 1) + 1 ( T , T )μ 0

0. 2 , ,-1用下单自由度体系钢框架的荷载位移曲线如图 ,T= 0. 75T,TT。式中μ 可取为场地特征周期 0 1 1 g ,、所示包含弹性设计实际弹塑性设计和理想弹塑性 4) 2) 3 ) 比较得到的结构能力谱曲线和得到的 V、VV 和分别为按弹性设计。e y d 设计三种情况图中,一簇需求谱曲线确定相应等效单自由度结构的性塑性设计结构屈服时的基底剪、时的基底剪力按弹。能点将等效单自由度体系的基底剪力和顶点位移、; 力和按规范设计所需的基底设计剪力 ΔΔ和 Δ ,14,e y d。等效还原为原型结构的基底剪力和顶点位移

H200 × 150 × 4. 5 × 6,80 × 4,和 ?框架柱截面为支撑 5) 4 ) 根据中原型结构屈服时的位移和弹性刚

, 50 × 4。为结构整体模型试验的数对V; 按照现的扁钢截面,e 度计算弹性设计时结构需求的基底剪力,16, ,,V。值模拟表明梁柱节点设置为半刚性连接时的模行抗震设计规范计算结构设计基底剪力 d ,,6) 拟结果与实测的结构滞回响应最为接近因此方钢计算结构在给定抗震设计条件下的强度折减

, = V/ V。 e d 系数H 形梁全螺栓端板连接节点在结构有限管柱与贯通 , 析模型中设为半刚接采用弹簧连接单元元分2 梁贯通式支撑钢框架的强度折减 ,17, ( SP,NGI) ( 3 ) 并根据节点试验结果图定义非线

系数分析。。性本构关系实现柱脚为刚性约束

2. 1 结构分析模型

针对梁贯通式支撑钢框架在实际工程应用时支

,不同配置比例及布置方式采用撑与柱常用的两种

ABAQUS 建立了平面结构有限元分有限元分析软件

,CASE1 进行分析编号分别为模型和模型析模型

。CASE2,2 ( B31 ) 所示选取纤维模型杆单元模如图

构模型采用双线性随动强化模 ,拟梁和柱其钢材本

,von Mises 型和屈服准则并假定塑性段切线模量为 ,16,3 图半刚性梁柱节点 /100 1 。模量的选取三维二节点桁架单元弹性Fig( 3 Semi-rigid column-beam connection ,,( T3D2) 模拟柔性支撑其受压时退出工作的特性通 ,2,16,2. 2 增量动力时程分析结果。过设置只拉不压的钢材本构模型间接实现

考虑到地震频谱特性和持时对结构性能的影

( 10 1 ) 条天然地震记录表对模型结构进 ,响选取了

IDA,, 得到顶层位移时程和基底剪力时程并提行了

。4 所示 ,取基底剪力和顶层最大位移如图

( a) CASE1模型

( b) CASE2模型

2 图结构模型的体系布置

Fig( 2 Structure layout ,2 个模型的构件截面尺寸完全相同但模型

CASE1 CASE2 与模型的一层与二层支撑配置比例分

3? 1 2? 1。, 和在设计截面尺寸时考虑抗震设防别为

,,。7 度地震分组为第二组?类场地屋面恒烈度为 2 2 1. 5 kN / m,0. 5 kN / m; ( b) CASE2 楼面恒荷载模型活荷载为荷载为2 2 4. 3 kN / m,2. 0 kN / m; 面活荷载为外墙恒荷载 4 -楼图基底剪力顶层最大位移关系 2 2 Fig( 4 ,elationship of base shear force and 。0. 6 kN / m,0. 45 kN / m。Q235B 风压用钢基本采

roof displacement H300 × 150 × 4. 5 × 6一层和二层框架梁截面分别为

1 IDA 10 表分析选取的?类场地条天然地震记录

Table 1 Ten earthquake records used in IDA 地震波地震时间台站 Ms/ g震级峰值加速度 Anza ( Horse Cany )BA, 1980 /02 /25 5049 Borrego Air ,anch 4. 7 0. 047

/02 /25 5047 ,ancho De Anza 4. 7 0. 092 1980 Anza ( Horse Cany ) BDA

Borrego Mtn 1968 /04 /09 475 Pasadena 6. 5 0. 009 ape endoicno 1992 /04 /25 89509 urek-ayrtle 7. 1 0. 178 CMEM

/09 /20 LS 7. 6 0. 163 1999 AChi-Chi,Taiwan-ALS

/09 /20 CHY022 7. 6 0. 065 1999 Chi-Chi,Taiwan-CHY022

Imperial Valley 1979 /10 /15 5051 Parachut eTest Site 6. 9 0. 111 Kobe-0 KJMA 1995 /01 /16 0 KJMA 6. 9 0. 821 Landers-Joshua Tree 1992 /06 /28 22170 Joshua Tree 7. 4 0. 284 San Fernando-O,, 1971 /02 /09 24278 Castaic 6. 6 0. 324

,4 2. 3 由图可以看出顶层最大位移因地震作用的能力谱法确定结构性能点

,不同相差较大而基底剪力的离散程度比顶层最大 “( CSM) ”,采用能力谱法确定结构性能点即可。,100 mm 位移小顶层最大位移超过之后基底剪力。 6 所示,得到结构能力谱和需求谱曲线的交点如图

,IDA 来看不同地震作用下 6 中的能力谱是经过单自由度体。趋于稳定从弹性阶段,需要说明的是图

。-抗侧刚度接近对计算得到的基底剪力顶点位移数。,A-D 6 格式能力谱为表示清楚图中系等效后的, 合并采用基于能量平衡的双折 ,S出了包含性能点位置的曲线部分大于据点进行多项式拟d 仅给

,5,CASE1 CASE2 线进行等效见图和模型结果模型。50 mm =的曲线未列出弹塑性需求谱列出了从 μ

0. 957 0. 961。和 1. 0 , 3. 0 ( ) μ 为结构需求的目标延性系数之间一簇的离散度分别达到

,5 对图的等效双线性能力曲线分析得到结构 ,,, 8 7 条需求谱适用于抗震设防烈度度?类场地共KV、和顶点等效屈服的基底剪力y 的初期抗侧刚度,0. 组第二组设防烈度水平地震影响系数为地震分= : CASE1 K5. 950 6 kN / mm, Δ 移分别为模型1 位23,0. 05,T== 比 ζ 应的场地特征周期阻尼对g ,18, V= 87. 471 kN,= 14. 699 mm; CASE2 K=经多次 Δ模型 0. 40 s。Vidic ,--T 提出的 μ取值规则基于y1 1 2 :迭代计算后得到等效单自由度体系的性能点分别为 4. 629 9 kN / mm,V= 64. 982 kN,= 14. 035 mm。Δ y2 2

( a) CASE1 模型 ( a) CASE1模型

( b) CASE2 模型 ( b) CASE2模型

IDA 5 图能力曲线的拟合图 6 性能点的确定Fig( 5 Fitting curves of IDA Fig( 6 Determination of behavior points

CASE1,S= 12. 516 mm,CASE2,S= ,,CASE1,,= 模型型设计时的强度折减系数取模则模型d d M M1 14. 862 mm。型多自由度体系 3. 02 /2. 86 = 1. 06,CASE2,,= 2. 54 /2. 86 =通过等效可转化为原型模M2

,0. 89。CASE1 S= S,CASE1,S= 1. 555 × 进行抗震设计时可按现行规对模型的性能点为 Γ 即模型d eq d d

; 准或做微小折减当对 12. 516 = 19. 462 mm; CASE2,S= 1. 413 ×模型范确定的设计地震作用水d

,CASE2 14. 862 = 21. 000 mm。结构体系进行抗震设计时按现行规范确定 Γ为结构等效振型的振其中eq

。型参与系数 ,,的设计地震作用水准略低应予以适当放大放大系 2. 4 1. 12( = 1 /0. 89) 。强度折减系数建议数约为

, 为计算结构抗震设计的强度折减系数需得到

V 和按照现行抗 4 结论 e 按照设防烈度弹性设计的基底剪力

V。, 为此强度折减 d 震规范多遇地震设计的基底剪力

1) 。( 3) 支撑与框架柱的配置比例及布置方式会对梁计算系数按式

、结构强度折减系数延性折减系 , = V/ V= ( V/ V) ?( V/ V) = ,,( 3) 贯通式支撑钢框架e d e y y d μ Ω

: ,= V/ V,; ,=其中结构延性折减系数为 μ e y Ω 。数及其结构超强系数产生影响V/ V,。 2) 7 为结构超强系数适用于度设防烈度的两类典型结构布置 y d

CASE1 CASE2 ( 7 模型和模型按照设防烈度 ( CASE1 CASE2) 和梁贯通式支撑钢框架结构体系的 ) : CASE1,V= 度弹性设计的基底剪力为模型 e1 3. 02 2. 54。和强度折减系数可分别取为115. 811 kN,CASE2,V= 97. 228 kN。模型e 2 3) 建议了梁贯通式支撑钢框架结构体系考虑强 SE1 SE2 CACA模型和模型按现行抗震设计规

度折减系数并基于我国现行规范进行抗震设计的地 ,4,可以通过底部剪力。V范多遇地震设计的基底剪力震作用取值范围 d

: V= V= 38. 36 kN。法计算为参考文献 d1 d2

7 度设防烈度地震作用下的梁贯通式支撑钢框,1, ,,,( 王伟陈以一余亚超等分层装配式支撑钢结构

,J,( ,2012,42( 10) : 48- : SE1CA, 工业化建筑体系建筑结构架结构模型的强度折减系数计算如下模型

, = V/ V= 3. 02,,= V/ V= 1. 32,,= 52( ( Wang Wei,Chen Yiyi,Yu Yachao,et al( Floor- 其中e1 d1 μ e1 y1 Ω

by-floor assembled steel braced structures for V/ V= 2. 28; CASE2,, = V/ V= 2. 54,模型其y1 d1 e2 d2 prefabricated buildings,J,( Building Structure,2012, ,= V/ V= 1. 50,,= V/ V= 1. 70。中 μ e2 y2 Ω y2 d2 42( 10) : 48-52( ( in Chinese) ) 7 CASE1 CASE2 度设防烈度的模型和模型的强 ,2, ,,,( 周青王伟陈以一等分层装配式支撑钢结构工 3. 02 2. 54。度折减系数建议分别取为和中可以从,J,( , 业化建筑体系抗震性能试验研究建筑结构CASE1, 结构超强系数在强度折减系 ,看出对于模型2012,42( 10) : 61-64( ( Zhou Qing,Wang Wei,Chen ; 大于延性折减系数所占的比例数中所占的比例远Yiyi, et al( Experimental research on seismic 。CASE2,而对于模型者比较接近表明支撑与框两performance of floor-by-floor assembled steel braced 架柱的配置比例及布置方式对梁贯通式支撑钢框架 structures for prefabricated buildings ,J,( Building 及其结构超强系 Structure,2012,42( 10) : 61-64( ( in Chinese) ) 、结构强度折减系数延性折减系数。数均产生影响 ,3, ,,( 李成徐柏荣顾强抗弯钢框架结构影响系数研 ,J,( ,2007,37 ( 10 ) : 43-45( ( Li 究建筑结构3 关于强度折减系数用于梁贯通式 Cheng,Xu Bairong,Gu Qiang( ,esearch on structural

influencing coefficient of moment resisting steel frames 支撑钢框架抗震设计的讨论 ,J,( Building Structure,2007,37 ( 10 ) : 43-45( ( in

Chinese) ) GB 50011—2010《》建筑抗震设计规范没有给出 ,4, GB 50011—2010 ,S,( : 建筑抗震设计规范北京中 0. 1g) 7 ( 度抗震 ,强度折减系数的概念但隐含了在,2010( ( GB 50011—2010 Code 国建筑工业出版社设防区的设防地震作用取值到多遇地震设计地震作for seismic design of buildings ,S,( Beijing: China ,3-4,2. 87。用的强度折减系数近似为果以现行规如Architecture , Building Press,2010( ( in Chinese) ) ,可以看出梁贯通式支撑钢框架范为基准进行比较,5, ,( 沈祖炎孙飞飞关于钢结构抗震设计方法的讨论 ( CASE1) 结构模型的强度折减系数比现行规范隐含 ,J,( ,2009,39 ( 11 ) : 115-与建议建筑结构, 值偏大而梁贯通式支撑钢框架的强度折减系数取122( ( Shen Zuyan, Sun Feifei( Discussion ,( CASE2 ) 结构模型的强度折减系数取值偏小但总 and recommendation on seismic design for steel

。structures 体相差不大

,因此针对现行规范对该类结构体系进行抗震 ,J,( Building Structure,2009,39 ( 11 ) : 115-122(

( in Chinese) )

,6, Carlo A C, Alessandra Z( Determination of the Venture, Federal Emergency Management Agency,

behaviour factor of steel moment-resisting ( M,) frames 2000(

by a damage accumulation approach,J,( Journal of ,13, Peter Fajfar( A nonlinear analysis method for

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factors of concentrically braced steel fraes m,,( : ,2009: D大系数研究西安西安建筑科技大学

,J,(Jour nal of onstructional Steel ,esearch,C86-90( ( YANG Junfen( ,esearch on response

2010,66 ( 10) : 1196-1204( modification factor and displacement amplification factor ,8, ,,,( 杨俊芬顾强万红等人字形中心支撑钢框架静 of concentrically braced steel frames,D,( Shanghai:

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Architecture , Technology,2010,42( 5) : 656-,D,( : ,2012: 70-71( ( ZHOU 研究上海同济大学

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ne steel oent-frae buildings ,S,( ashington wmmmW45-52(( in Chinese) )

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Management Agency,2000( design spectra: strength and displacement ,12, FEMA-351 ,ecommended seismic evaluation and ,J ,(Ea rthquake Engineering and Structural

upgrade criteria for existing welded steel moment-frame Dynamics, 1994,23( 3) : 507-521(

buildings ,S,( Washington DC, USA: SAC Joint

范文三：基于强度折减系数的抗震设计方法对梁贯通式支撑钢框架结构的研究

梁贯通式支撑钢框架体系是近期由同济大学进行改进开发的一种新型工业化钢结构体系.该结构体系的技术特点有:梁柱节点处保持梁通长、柱分层,易于应用分层装配式工法进行安装;为便于预制墙板安装,该体系采用高延性柔性支撑作为其主要的抗侧力构件;通过半刚性端板螺栓连接形式实现梁不柱、梁不梁、梁不屋架以及柱不基础等的连接,同时作为除支撑外的备用抗震设防措施。整体模型试验表明,该结构延性优,但柔性支撑的配置可能导致结构具有明显的滑移型滞回特性,耗能能力一般。对梁贯通式支撑钢框架结构进行合理的抗震设计,成为该类结构体系在我国推广应用的关键。

转自:工程结构论文 http://www.lunwenstudy.com/gcjiegou/ lwddwl

基于强度的抗震设计方法主要考虑强震作用下结构的塑性耗能,通过强度折减系数折减结构在设防地震作用下的弹性地震作用,得出设计地震作用。

因此强度折减系数是基于强度的抗震设计中确定设计地震作用的关键参数。我国现行抗震规范隐含对不同材料的结构体系采用单一的强度折减系数,没有区分具有不同延性的结构类型在设计地震作用取值上的差别,不能充分体现钢结构延性在抗震设计安全性不经济性方面的优势,因此有必要对不同抗震钢结构体系的强度折减系数进行研究。针对这一问题,国内外学者近年来已开展了相关研究工作.但针对梁贯通式支撑钢框架这一新型结构体系,强度折减系数的研究目前未见报道。

本文将增量动力分析

，incrementaldynamicanalysis,IDA，和能力谱法，capacityspectrummethod,CSM，相结合,对典型梁贯通式支撑钢框架结构的强度折减系数进行研究,旨在为抗震设计时强度折减系数的合理取值提供依据。

强度折减系数的概念不计算方法.强度折减系数的概念强度折减系数指设防地震作用下结构保持完全弹性所产生的基底剪力不相同地震作用下考虑延性设计的结构设计基底剪力之比.利用结构的弹塑性发形能力,可以使结构的实际设计承载力比按结构完全弹性反应要求的承载力偏低。在静力荷载作用下,单自由度体系钢框架的荷载-位移曲线如图1所示,包含弹性设计、实际弹塑性设计和理想弹塑性设计三种情况。图中Ve、Vy和Vd分别为按弹性设计时的基底剪力、按弹塑性设计结构屈服时的基底剪力和按规范设计所需的基底设计剪力;Δe、Δy和Δd图1结构反应曲线分别为不Ve、Vy和Vd对应的位移。强度折减系数定义为:R=Ve/Vd，1，.

基于IDA的强度折减系数计算方法增量动力分析，IDA，方法是将一条特定的地震动转化为一系列地震动强度逐步增大的地震动,输入结构进行弹塑性动力时程分析,得到一系列结构的弹塑性地震响应指标,也被称为动力推覆分析，dynamicpushover，方法。IDA可以避免对不同侧力模式推覆分析结果的合理性进行评估,而将结构在地震作用下的滞回规则引入到抗震能力评价中,还可以考虑结构抗震需求和能力

的不确定性和随机性因素。美国FEMA350,FEMA351中采用IDA对结构整体抗倒塌能力进行评估.本文采用IDA计算强度折减系数主要步骤如下:

1，建立结构分析模型,根据结构特性、场地类别等选择地震记录,将地震记录通过调幅扩展为一组地震动记录,进而对结构进行弹塑性动力时程分析得到基底剪力-顶点位移，V-Δ，的关系。

2，根据多条地震记录激励下结构的V-Δ关系,得到拟合曲线。建立结构的等效单自由度体系,参考Peter提出的非线性推覆分析方法中的转换方式,基于考虑前两阶振型对结构进行等效单自由度体系简化的方法,将以上基底剪力-顶点位移曲线转换为结构的能力谱曲线。

3，根据抗震设防烈度和场地类别,参考强度折减系数R-目标延性μ-周期T取值规则，式，2，，,建立结构对应不同延性系数的需求谱曲线。

4，比较2，得到的结构能力谱曲线和3，得到的一簇需求谱曲线,确定相应等效单自由度结构的性能点。将等效单自由度体系的基底剪力和顶点位移等效还原为原型结构的基底剪力和顶点位移.

5，根据4，中原型结构屈服时的位移和弹性刚度,计算弹性设计时结构需求的基底剪力Ve;按照现行抗震设计规范,计算结构设计基底剪力Vd.

6，计算结构在给定抗震设计条件下的强度折减系数

R=Ve/Vd.

梁贯通式支撑钢框架的强度折减系数分析.结构分析模型针对梁贯通式支撑钢框架在实际工程应用时支撑不柱常用的两种不同配置比例及布置方式,采用有限元分析软件ABAQUS建立了平面结构有限元分析模型进行分析,编号分别为模型CASE1和模型CASE2,如图2所示。选取纤维模型杆单元，B31，模拟梁和柱,其钢材本构模型采用双线性随动强化模型和vonMises屈服准则,并假定塑性段切线模量为弹性模量的1/100.选取三维二节点桁架单元，T3D2，模拟柔性支撑,其叐压时退出工作的特性,通过设置只拉不压的钢材本构模型间接实现.

，a，模型CASE1，b，模型CASE2个模型的构件截面尺寸完全相同,但模型CASE1不模型CASE2的一层不二层支撑配置比例分别为3?1和2?1.在设计截面尺寸时,考虑抗震设防烈度为7度,地震分组为第二组,?类场地。屋面恒荷载为1.5kN/m2,活荷载为0.5kN/m2;楼面恒荷载4.3kN/m2,楼面活荷载为2.0kN/m2;外墙恒荷载0.6kN/m2,基本风压0.45kN/m2.采用Q235B钢。

一层和二层框架梁截面分别为H300×150×4.5×6和H200×150×4.5×6,框架柱截面为?80×4,支撑的扁钢截面为-50×4.对结构整体模型试验的数值模拟表明,梁柱节点设置为半刚性连接时的模拟结果不实测的结构滞回响应最为接近,因此,方钢管柱不贯通H形梁全螺栓端板连接节点在结构有限元

分析模型中设为半刚接,采用弹簧连接单元，SPRING，并根据节点试验结果，图3，定义非线性本构关系实现。柱脚为刚性约束。

增量动力时程分析结果考虑到地震频谱特性和持时对结构性能的影响,选取了10条天然地震记录，表1，对模型结构进行了IDA,得到顶层位移时程和基底剪力时程,并提取基底剪力和顶层最大位移,如图4所示。

由图4可以看出,顶层最大位移因地震作用的不同相差较大,而基底剪力的离散程度比顶层最大位移小。顶层最大位移超过100mm之后,基底剪力趋于稳定。从弹性阶段IDA来看,不同地震作用下抗侧刚度接近。对计算得到的基底剪力-顶点位移数据点进行多项式拟合,并采用基于能量平衡的双折线进行等效,见图5,模型CASE1和模型CASE2结果的离散度分别达到0.957和0.961.

对图5的等效双线性能力曲线分析,得到结构的初期抗侧刚度K、等效屈服的基底剪力Vy和顶点位移Δ分别为:模型

CASE1K1=5.9506kN/mm,Vy1=87.471kN,Δ1=14.69

9mm;模型

CASE2K2=4.6299kN/mm,Vy2=64.982kN,Δ2=14.03

5mm.

能力谱法确定结构性能点采用能力谱法，CSM，确定结构“性能点”,即可得到结构能力谱和需求谱曲线的交点,如图6

所示。

需要说明的是,图6中的能力谱是经过单自由度体系等效后的A-D格式能力谱。为表示清楚,图6中仅给出了包含性能点位置的曲线部分,Sd大于50mm的曲线未列出。弹塑性需求谱列出了从μ=1.0~3.0，μ为结构需求的目标延性系数，之间一簇共8条需求谱,适用于抗震设防烈度7度,?类场地,地震分组第二组,设防烈度水平地震影响系数为0.23,阻尼比ζ=0.05,对应的场地特征周期Tg=0.40s.基于Vidic提出的R-μ-T取值规则经多次迭代计算后得到等效单自由度体系的性能点分别为:，a，模型CASE1，b，模型CASE2.通过等效可转化为原型多自由度体系的性能点为Sd=ΓeqSd,即模型CASE1,Sd=1.555×12.516=19.462mm;模型CASE2,Sd=1.413×14.862=21.000mm.其中Γeq为结构等效振型的振型参不系数。

强度折减系数建议为计算结构抗震设计的强度折减系数,需得到按照设防烈度弹性设计的基底剪力Ve和按照现行抗震规范多遇地震设计的基底剪力Vd.为此,强度折减系数按式，3，计算。

模型CASE1和模型CASE2按照设防烈度，7度，弹性设计的基底剪力为:模型CASE1,Ve1=115.811kN,模型CASE2,Ve2=97.228kN.

模型CASE1和模型CASE2按现行抗震设计规范多遇地震

设计的基底剪力Vd可以通过底部剪力法计算为:Vd1=Vd2=38.36kN.

从中可以看出,对于模型CASE1,结构超强系数在强度折减系数中所占的比例进大于延性折减系数所占的比例;而对于模型CASE2,两者比较接近。表明支撑不框架柱的配置比例及布置方式对梁贯通式支撑钢框架结构强度折减系数、延性折减系数及其结构超强系数均产生影响。

关于强度折减系数用于梁贯通式支撑钢框架抗震设计的讨论GB-2010《建筑抗震设计规范》没有给出强度折减系数的概念,但隐含了在7度，0.1g，抗震设防区的设防地震作用取值到多遇地震设计地震作用的强度折减系数近似为2.87.如果以现行规范为基准进行比较可以看出,梁贯通式支撑钢框架结构，模型CASE1，的强度折减系数比现行规范隐含的强度折减系数取值偏大,而梁贯通式支撑钢框架结构，模型CASE2，的强度折减系数取值偏小,但总体相差不大。

因此,针对现行规范对该类结构体系进行抗震设计时的强度折减系数取RM,则模型CASE1,RM1=3.02/2.86=1.06,模型CASE2,RM2=2.54/2.86=0.89.对模型CASE1进行抗震设计时,可按现行规范确定的设计地震作用水准戒做微小折减;当对CASE2结构体系进行抗震设计时,按现行规范确定的设计地震作用水准略低,应予以适当放大,放大系数约为1.12，=1/0.89，.

结论1，支撑不框架柱的配置比例及布置方式会对梁贯通

式支撑钢框架结构强度折减系数、延性折减系数及其结构超强系数产生影响。

2，适用于7度设防烈度的两类典型结构布置，CASE1和CASE2，梁贯通式支撑钢框架结构体系的强度折减系数可分别取为3.02和2.54.

3，建议了梁贯通式支撑钢框架结构体系考虑强度折减系数并基于我国现行规范进行抗震设计的地震作用取值范围。

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范文四：基于强度折减系数的抗震设计方法对梁贯通式支撑钢框架结构的研究

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基于强度折减系数的抗震设计方法对梁贯通式支撑

钢框架结构的研究

梁贯通式支撑钢框架体系是近期由同济大学进行改进开发的一种新型工业化钢结构体系。该结构体系的技术特点有:梁柱节点处保持梁通长、柱分层，易于应用分层装配式工法进行安装;为便于预制墙板安装，该体系采用高延性柔性支撑作为其主要的抗侧力构件;通过半刚性端板螺栓连接形式实现梁与柱、梁与梁、梁与屋架以及柱与基础等的连接，同时作为除支撑外的备用抗震设防措施。整体模型试验表明，该结构延性优，但柔性支撑的配置可能导致结构具有明显的滑移型滞回特性，耗能能力一般。对梁贯通式支撑钢框架结构进行合理的抗震设计，成为该类结构体系在我国推广应用的关键。

基于强度的抗震设计方法主要考虑强[键入文字] [键入文字] [键入文字]

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震作用下结构的塑性耗能，通过强度折减系数折减结构在设防地震作用下的弹性地震作用，得出设计地震作用。

因此强度折减系数是基于强度的抗震设计中确定设计地震作用的关键参数。我国现行抗震规范隐含对不同材料的结构体系采用单一的强度折减系数，没有区分具有不同延性的结构类型在设计地震作用取值上的差别，不能充分体现钢结构延性在抗震设计安全性与经济性方面的优势，因此有必要对不同抗震钢结构体系的强度折减系数进行研究。针对这一问题，国内外学者近年来已开展了相关研究工作。但针对梁贯通式支撑钢框架这一新型结构体系，强度折减系数的研究目前未见报道。

本文将增量动力分析

(incrementaldynamicanalysis,IDA)和能力谱法(capacityspectrummethod,CSM)相结合，对典型梁贯通式支撑钢框架结构的强度折减系数进行研究，旨在为抗震设计时强度折[键入文字] [键入文字] [键入文字]

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减系数的合理取值提供依据。

强度折减系数的概念与计算方法。

强度折减系数的概念强度折减系数指设防地震作用下结构保持完全弹性所产生的基底剪力与相同地震作用下考虑延性设计的结构设计基底剪力之比。利用结构的弹塑性变形能力，可以使结构的实际设计承载力比按结构完全弹性反应要求的承载力偏低。在静力荷载作用下，单自由度体系钢框架的荷载-位移曲线如图1所示，包含弹性设计、实际弹塑性设计和理想弹塑性设计三种情况。图中Ve、Vy和Vd分别为按弹性设计时的基底剪力、按弹塑性设计结构屈服时的基底剪力和按规范设计所需的基底设计剪力;Δe、Δy和Δd图1结构反应曲线分别为与Ve、Vy和Vd对应的位移。强度折减系数定义为:R=Ve/Vd(1)。

基于IDA的强度折减系数计算方法

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增量动力分析(IDA)方法是将一条特定的地震动转化为一系列地震动强度逐步增大的地震动，输入结构进行弹塑性动力时程分析，得到一系列结构的弹塑性地震响应指标，也被称为动力推覆分析

(dynamicpushover)方法。IDA可以避免对不同侧力模式推覆分析结果的合理性进行评估，而将结构在地震作用下的滞回规则引入到抗震能力评价中，还可以考虑结构抗震需求和能力的不确定性和随机性因素。美国FEMA350,FEMA351中采用IDA对结构整体抗倒塌能力进行评估。本文采用IDA计算强度折减系数主要步骤如下:

1)建立结构分析模型，根据结构特性、场地类别等选择地震记录，将地震记录通过调幅扩展为一组地震动记录，进而对结构进行弹塑性动力时程分析得到基底剪力-顶点位移(V-Δ)的关系。

2)根据多条地震记录激励下结构的V-Δ关系，得到拟合曲线。建立结构的等效单自[键入文字] [键入文字] [键入文字]

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由度体系，参考Peter提出的非线性推覆分析方法中的转换方式，基于考虑前两阶振型对结构进行等效单自由度体系简化的方法，将以上基底剪力-顶点位移曲线转换为结构的能力谱曲线。

3)根据抗震设防烈度和场地类别，参考强度折减系数R-目标延性μ-周期T取值规则(式(2))，建立结构对应不同延性系数的需求谱曲线。

4)比较2)得到的结构能力谱曲线和3)得到的一簇需求谱曲线，确定相应等效单自由度结构的性能点。将等效单自由度体系的基底剪力和顶点位移等效还原为原型结构的基底剪力和顶点位移。

5)根据4)中原型结构屈服时的位移和弹性刚度，计算弹性设计时结构需求的基底剪力Ve;按照现行抗震设计规范，计算结构设计基底剪力Vd.

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6)计算结构在给定抗震设计条件下的强度折减系数R=Ve/Vd.

梁贯通式支撑钢框架的强度折减系数分析。结构分析模型针对梁贯通式支撑钢框架在实际工程应用时支撑与柱常用的两种不同配置比例及布置方式，采用有限元分析软件ABAQUS建立了平面结构有限元分析模型进行分析，编号分别为模型CASE1和模型CASE2,如图2所示。选取纤维模型杆单元(B31)模拟梁和柱，其钢材本构模型采用双线性随动强化模型和vonMises屈服准则，并假定塑性段切线模量为弹性模量的1/100.选取三维二节点桁架单元(T3D2)模拟柔性支撑，其受压时退出工作的特性，通过设置只拉不压的钢材本构模型间接实现。

(a)模型CASE1(b)模型CASE2个模型的构件截面尺寸完全相同，但模型CASE1与模型CASE2的一层与二层支撑配置比例分别为3?1和2?1.在设计截面尺寸时，考虑抗震设防烈度为7度，地震分组为[键入文字] [键入文字] [键入文字]

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第二组，?类场地。屋面恒荷载为1.5kN/m2,活荷载为0.5kN/m2;楼面恒荷载4.3kN/m2,楼面活荷载为2.0kN/m2;外墙恒荷载0.6kN/m2,基本风压0.45kN/m2.采用Q235B钢。

一层和二层框架梁截面分别为

H300×150×4.5×6和H200×150×4.5×6,框架柱截面为?80×4,支撑的扁钢截面为-50×4.对结构整体模型试验的数值模拟表明，梁柱节点设置为半刚性连接时的模拟结果与实测的结构滞回响应最为接近，因此，方钢管柱与贯通H形梁全螺栓端板连接节点在结构有限元分析模型中设为半刚接，采用弹簧连接单元(SPRING)并根据节点试验结果(图3)定义非线性本构关系实现。柱脚为刚性约束。

增量动力时程分析结果考虑到地震频谱特性和持时对结构性能的影响，选取了10条天然地震记录(表1)对模型结构进行了IDA,得到顶层位移时程和基底剪力时程，并[键入文字] [键入文字] [键入文字]

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提取基底剪力和顶层最大位移，如图4所示。

由图4可以看出，顶层最大位移因地震作用的不同相差较大，而基底剪力的离散程度比顶层最大位移小。顶层最大位移超过100mm之后，基底剪力趋于稳定。从弹性阶段IDA来看，不同地震作用下抗侧刚度接近。对计算得到的基底剪力-顶点位移数据点进行多项式拟合，并采用基于能量平衡的双折线进行等效，见图5,模型CASE1和模型CASE2结果的离散度分别达到0.957和0.961.

对图5的等效双线性能力曲线分析，得到结构的初期抗侧刚度K、等效屈服的基底剪力Vy和顶点位移Δ分别为:模型CASE1K1=5.9506kN/mm,Vy1=87.471kN,Δ1

=14.699mm;模型

CASE2K2=4.6299kN/mm,Vy2=64.982kN,Δ2

=14.035mm.

能力谱法确定结构性能点采用能力谱[键入文字] [键入文字] [键入文字]

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法(CSM)确定结构“性能点”,即可得到结构能力谱和需求谱曲线的交点，如图6所示。

需要说明的是，图6中的能力谱是经过单自由度体系等效后的A-D格式能力谱。为表示清楚，图6中仅给出了包含性能点位置的曲线部分，Sd大于50mm的曲线未列出。弹塑性需求谱列出了从μ=1.0~3.0(μ为结构需求的目标延性系数)之间一簇共8条需求谱，适用于抗震设防烈度7度，?类场地，地震分组第二组，设防烈度水平地震影响系数为0.23,阻尼比ζ=0.05,对应的场地特征周期Tg=0.40s.基于Vidic提出的R-μ-T取值规则经多次迭代计算后得到等效单自由度体系的性能点分别为:(a)模型CASE1(b)模型CASE2.通过等效可转化为原型多自由度体系的性能点为Sd=ΓeqSd,即模型CASE1,Sd=1.555×12.516=19.462mm;模型CASE2,Sd=1.413×14.862=21.000mm.其中Γeq为结构等效振型的振型参与系数。

强度折减系数建议为计算结构抗震设[键入文字] [键入文字] [键入文字]

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计的强度折减系数，需得到按照设防烈度弹性设计的基底剪力Ve和按照现行抗震规范多遇地震设计的基底剪力Vd.为此，强度折减系数按式(3)计算。

模型CASE1和模型CASE2按照设防烈度(7度)弹性设计的基底剪力为:模型CASE1,Ve1=115.811kN,模型CASE2,Ve2=97.228kN.

模型CASE1和模型CASE2按现行抗震设计规范多遇地震设计的基底剪力Vd可以通过底部剪力法计算为:Vd1=Vd2=38.36kN.

从中可以看出，对于模型CASE1,结构超强系数在强度折减系数中所占的比例远大于延性折减系数所占的比例;而对于模型CASE2,两者比较接近。表明支撑与框架柱的配置比例及布置方式对梁贯通式支撑钢框架结构强度折减系数、延性折减系数及其结构超强系数均产生影响。

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关于强度折减系数用于梁贯通式支撑钢框架抗震设计的讨论GB50011-2010《建筑抗震设计规范》没有给出强度折减系数的概念，但隐含了在7度(0.1g)抗震设防区的设防地震作用取值到多遇地震设计地震作用的强度折减系数近似为2.87.如果以现行规范为基准进行比较可以看出，梁贯通式支撑钢框架结构(模型CASE1)的强度折减系数比现行规范隐含的强度折减系数取值偏大，而梁贯通式支撑钢框架结构(模型CASE2)的强度折减系数取值偏小，但总体相差不大。

因此，针对现行规范对该类结构体系进行抗震设计时的强度折减系数取RM,则模型CASE1,RM1=3.02/2.86=1.06,模型CASE2,RM2=2.54/2.86=0.89.对模型CASE1进行抗震设计时，可按现行规范确定的设计地震作用水准或做微小折减;当对CASE2结构体系进行抗震设计时，按现行规范确定的设计地震作用水准略低，应予以适当放大，放大系数约为1.12(=1/0.89)。 [键入文字] [键入文字] [键入文字]

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结论

1)支撑与框架柱的配置比例及布置方式会对梁贯通式支撑钢框架结构强度折减系数、延性折减系数及其结构超强系数产生影响。

2)适用于7度设防烈度的两类典型结构布置(CASE1和CASE2)梁贯通式支撑钢框架结构体系的强度折减系数可分别取为3.02和2.54.

3)建议了梁贯通式支撑钢框架结构体系考虑强度折减系数并基于我国现行规范进行抗震设计的地震作用取值范围。

参考文献

[1]王伟，陈以一，余亚超，等。分层装配式支撑钢结构工业化建筑体系[J].建筑结构，2012,42(10):48-52.

[2]周青，王伟，陈以一，等。分层装配式支撑钢结构工业化建筑体系抗震性能[键入文字] [键入文字] [键入文字]

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试验研究[J].建筑结构，2012,42(10):61-64.

[3]李成，徐柏荣，顾强。抗弯钢框架结构影响系数研究[J].建筑结构，2007,37(10):43-45.

[4]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[5]沈祖炎，孙飞飞。关于钢结构抗震设计方法的讨论与建议[J].建筑结构，2009,39(11):115-122.

标签: 工业化钢结构体系抗震设计方法上一篇:基于辛几何格式的叠前逆时偏移成像的工程结构无损检测研究

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范文五：基于强度折减系数的抗震设计方法对梁贯通式支撑钢框架结构的研究.doc

基于强度折减系数的抗震设计方法对梁贯通式支撑钢框架结构的研究

基于强度的抗震设计方法主要考虑强震作用下结构的塑性耗能，通过强度折减系数折减结构在设防地震作用下的弹性地震作用，得出设计地震作用。

本文将增量动力分析(incrementaldynamicanalysis,IDA)和能力谱法(capacityspectrummethod,CSM)相结合，对典型梁贯通式支撑钢框架结构的强度折减系数进行研究，旨在为抗震设计时强度折减系数的合理取值提供依据。

强度折减系数的概念与计算方法。

强度折减系数的概念强度折减系数指设防地震作用下结构保持完全弹性所产生的基底剪力与相同地震作用下考虑延性设计的结构设计基底剪力之比。利用结构的弹塑性变形能力，可以使结构的实际设计承载力比按结构完全弹性反应要求的承载力偏低。在静力荷载作用下，单自由度体系钢框架的荷载-位移曲线如图1所示，包含弹

性设计、实际弹塑性设计和理想弹塑性设计三种情况。图中Ve、Vy和Vd分别为按弹性设计时的基底剪力、按弹塑性设计结构屈服时的基底剪力和按规范设计所需的基底设计剪力;Δe、Δy和Δd图1结构反应曲线分别为与Ve、Vy和Vd对应的位移。强度折减系数定义为:R=Ve/Vd(1)。

基于IDA的强度折减系数计算方法

增量动力分析(IDA)方法是将一条特定的地震动转化为一系列地震动强度逐步增大的地震动，输入结构进行弹塑性动力时程分析，得到一系列结构的弹塑性地震响应指标，也被称为动力推覆分析(dynamicpushover)方法。IDA可以避免对不同侧力模式推覆分析结果的合理性进行评估，而将结构在地震作用下的滞回规则引入到抗震能力评价中，还可以考虑结构抗震需求和能力的不确定性和随机性因素。美国FEMA350,FEMA351中采用IDA对结构整体抗倒塌能力进行评估。本文采用IDA计算强度折减系数主要步骤如下:

2)根据多条地震记录激励下结构的V-Δ关系，得到拟合曲线。建立结构的等效单自由度体系，参考Peter提出的非线性推覆分析方法中的转换方式，基于考虑前两阶振型对结构进行等效单自由度体系简化的方法，将以上基底剪力-顶点位移曲线转换为结构的能力谱曲线。

3)根据抗震设防烈度和场地类别，参考强度折减系数R-目标延性μ-周期T取值规则(式(2))，建立结构对应不同延性系数的需求谱曲线。

5)根据4)中原型结构屈服时的位移和弹性刚度，计算弹性设计时结构需求的基底剪力Ve;按照现行抗震设计规范，计算结构设计基底剪力Vd.

6)计算结构在给定抗震设计条件下的强度折减系数R=Ve/Vd.

(a)模型CASE1(b)模型CASE2个模型的构件截面尺寸完全相同，但模型CASE1与模型CASE2的一层与二层支撑配置比例分别为3?1和2?1.在设计截面尺寸时，考虑抗震设防烈度为7度，地震分组为第二组，?类场地。屋面恒荷载为1.5kN/m2,活荷载为0.5kN/m2;楼面恒荷载4.3kN/m2,楼面活荷载为2.0kN/m2;外墙恒荷载0.6kN/m2,基本风压0.45kN/m2.采用Q235B钢。

一层和二层框架梁截面分别为H3001504.56和H2001504.56,框架柱截面为?804,支撑的扁钢截面为-504.对结构整体模型试验的数值模拟表明，梁柱节点设置为半刚性连接时的模拟结果与实测的结构滞回响应最为接近，因此，方钢管柱与贯通H形梁全螺栓端板连接节点在结构有限元分析模型中设为半刚接，采用弹簧连接单元(SPRING)并根据节点试验结果(图3)定义非线性本构关系实现。柱脚为刚性约束。

增量动力时程分析结果考虑到地震频谱特性和持时对结构性能的影响，选取了10条天然地震记录(表1)对模型结构进行了IDA,得到顶层位移时程和基底剪力时程，并提取基底剪力和顶层最大位移，如图4所示。

对图5的等效双线性能力曲线分析，得到结构的初期抗侧刚度K、等效屈服的基底剪力Vy和顶点位移Δ分别为:模型CASE1K1=5.9506kN/mm,Vy1=87.471kN,Δ1=14.699mm;模型CASE2K2=4.6299kN/mm,Vy2=64.982kN,Δ2=14.035mm.

能力谱法确定结构性能点采用能力谱法(CSM)确定结构性能点,即可得到结构能力谱和需求谱曲线的交点，如图6所示。

需要说明的是，图6中的能力谱是经过单自由度体系等效后的A-D格式能力谱。为表示清楚，图6中仅给出了包含性能点位置的曲线部分，Sd大于50mm的曲线未列出。弹塑性需求谱列出了从μ=1.0~3.0(μ为结构需求的目标延性系数)之间一簇共8条需求谱，适用于抗震设防烈度7度，?类场地，地震分组第二组，设防烈度水平地震影响系数为0.23,阻尼比ζ=0.05,对应的场地特征周期Tg=0.40s.基于Vidic提出的R-μ-T取值规则经多次迭代计算后得到等效单自由度体系的性能点分别为:(a)模型CASE1(b)模型CASE2.通过等效可转化为原型多自由度体系的性能点为Sd=ΓeqSd,即模型CASE1,Sd=1.55512.516=19.462mm;模型CASE2,Sd=1.41314.862=21.000mm.其中Γeq为结构等效振型的振型参与系数。

强度折减系数建议为计算结构抗震设计的强度折减系数，需得到按照设防烈度弹性设计的基底剪力Ve和按照现行抗震规范多遇地震设计的基底剪力Vd.为此，强度折减系数按式(3)计算。

模型CASE1和模型CASE2按照设防烈度(7度)弹性设计的基底剪力为:模型CASE1,Ve1=115.811kN,模型CASE2,Ve2=97.228kN.

模型CASE1和模型CASE2按现行抗震设计规范多遇地震设计的基底剪力Vd可以通过底部剪力法计算为:Vd1=Vd2=38.36kN.

关于强度折减系数用于梁贯通式支撑钢框架抗震设计的讨论GB50011-2010《建筑抗震设计规范》没有给出强度折减系数的概

念，但隐含了在7度(0.1g)抗震设防区的设防地震作用取值到多遇地震设计地震作用的强度折减系数近似为2.87.如果以现行规范为基准进行比较可以看出，梁贯通式支撑钢框架结构(模型CASE1)的强度折减系数比现行规范隐含的强度折减系数取值偏大，而梁贯通式支撑钢框架结构(模型CASE2)的强度折减系数取值偏小，但总体相差不大。

结论

1)支撑与框架柱的配置比例及布置方式会对梁贯通式支撑钢框架结构强度折减系数、延性折减系数及其结构超强系数产生影响。

2)适用于7度设防烈度的两类典型结构布置(CASE1和CASE2)梁贯通式支撑钢框架结构体系的强度折减系数可分别取为3.02和2.54.

3)建议了梁贯通式支撑钢框架结构体系考虑强度折减系数并基于我国现行规范进行抗震设计的地震作用取值范围。

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